В соответствии с указанием Петра, собор строился наподобие так называемой Меншиковой башни, сооруженной в Москве в 1705—1707 гг.

Колокольня и основной корпус собора возводились не одновременно. Прежде всего была построена колокольня. Такая очередность была продиктована не стремлением Петра к скорейшему декоративному убранству столицы, а совершенно правильным техническим расчетом — надо было выждать естественного оседания колоссальной массы колокольни и лишь потом соединять с ней стены собора, иначе в местах соединения стен собора с колокольней неминуемо появились бы трещины. Поэтому Петр в 1715 г. отдал распоряжение: «На колокольне, которая в городе, как возможно скорее отделать... а церковь делать исподволь».

Колокольню в основном закончили уже в апреле 1720 г. Каркас шпиля был еще обнажен (золочение медных листов для него велось в самой крепости с 1719 г.), но в августе 1720 г. Петр со своими сподвижниками уже любовался с высоты панорамой быстро растущего города.

Строительство собора затянулось, долгое время шли работы по его внутреннему убранству. Датой окончания строительных работ по сооружению собора принято считать 29 июня 1733 г.

Шпиль колокольни Петропавловского собора, высоко и гордо поднятый над Невой, призван был символизировать выход России к просторам Балтийского моря. Вместе с тем он играл важную роль в украшении и обогащении силуэта города.

Каркас шпиля в 1723 г. был покрыт позолоченными листами и тогда же на вершине колокольни собора установили часы «с курантами в 35 колоколов», купленные в Голландии за 45 тысяч рублей. Так как шпиль не имел громоотвода (последний был установлен лишь в 1778 г.), от ударов молнии в колокольню часто возникали пожары (1736, 1748, 1756 гг. и т. д ) Одним из таких пожаров в 1756 г. были сожжены шпиль собора и драгоценные часы с курантами. Взамен их в Голландии были заказаны новые часы; их доставили в Петербург в 1761 г., но пустили в ход только в конце 1779 г. Куранты отбивали четверть часа, полчаса, час, после чего вызванивали мелодию «Коль славен», а в полдень и в полночь — «Боже, царя храни». В советское время они исполняли «Интернационал», после реставрации 1952 г. — гимн Советского Союза (в 6, 12, 18 и 24 часа), а ныне играют «Гимн великому городу» композитора Р. Глиэра.

Во время пожара 1756 г. сгорела также колокольня и было серьезно повреждено внутреннее убранство собора. Строительство новой колокольни и реставрационные работы были проведены по проекту зодчего С. Чевакинского, при участии А. Дьякова. В результате этих работ внешний вид собора в деталях изменился по сравнению с его первоначальным обликом, в частности несколько увеличилась высота колокольни.

Реставрация собора была закончена в 1757 г., а сооружение новой колокольни затянулось на много лет. Каркас нового шпиля над Петропавловским собором установили лишь в конце 1772 г. Следующие два года ушли на золочение медных листов для покрытия шпиля, изготовление креста, яблока и ангела. На позолоту всех деталей шпиля было израсходовано около 9 килограммов чистого золота. Ангел первоначально был закреплен на шпиле неподвижно, из-за чего в сентябре 1777 г. его сломала буря. В том же году по рисунку архитектора А. Ринальди изготовили новое изображение ангела, несколько меньшее по размерам. На этот раз фигура ангела была закреплена на шпиле таким образом, что не оказывала сопротивления напору ветра, а свободно вращалась наподобие флюгера.

Всё же спустя несколько десятилетий крест вместе с ангелом от бури накренился и угрожал падением. Сооружение строительных лесов до вершины шпиля потребовало бы колоссальных расходов. Помочь делу вызвался работавший в Петербурге кровельный мастер крестьянин Петр Телушкин. Он предложил исправить повреждения без сооружения лесов и просил оплатить лишь расходы на материалы, нужные ему для работы.

Ремонт флюгера сметливым умельцем, произведенный в октябре-ноябре 1830 г., по праву может быть назван подвигом, он вошел в историю отечественной техники как выдающийся образец русской смекалки и отваги.

Первоначально Телушкин рассчитывал выйти из верхнего люка, сделанного в 10 саженях от основания шпиля, и окинуть вокруг него веревку, которая поддержала бы работающего при опасном восхождении вверх. Но от этого намерения Телушкину пришлось отказаться — шпиль у своего основания был настолько широк, что окинуть вокруг него веревку было невозможно.

Главная трудность состояла в том, чтобы взобраться к подножию флюгера-ангела и укрепить там веревочную лестницу для последующих восхождений вверх вместе с материалами, необходимыми при ремонте. Эту трудность Телушкин блестяще преодолел. Он учел, что шпиль колокольни выложен медными золочеными листами, которые в горизонтальных спаях гладко прилегают друг к другу, а в вертикальных—загнуты ребром, так что составляют перпендикулярно стоящие к плоскости шпиля полосы двухвершковой ширины. Эти вертикальные сгибы, по плану Телушкина, должны были сыграть решающую роль в его восхождении к флюгеру.

Опоясав себя веревкой и закрепив ее другой конец на внутренней перекладине шпиля, Телушкин вылез из люка и на веревке спустился по шпилю на несколько метров. Затем, ухватившись пальцами за загибы медных листов облицовки, он уперся в один из загибов носком правой ноги и, утвердившись в таком положении, начал двигаться влево к близлежащему сгибу. Телушкин схватывал этот сгиб левой рукой несколько выше того уровня, на котором он держался за другой сгиб правой рукой. Таким образом, смельчак продвигался по спирали влево, постепенно поднимаясь вверх. Во время этого продвижения он держался только на пальцах. Кровь лилась из-под ногтей. Но превозмогая боль, напрягая силы (несмотря на свой невысокий рост, Телушкин поднимал 13 пудов) и не зная страха, он продолжал свое восхождение, таща за собой привязанную к поясу веревку, которая спиралью, следуя за его движением, обвивала шпиль колокольни.

Задача окружить шпиль веревочным кольцом была решена. Дальнейшее продвижение наверх было уже значительно легче. Преодолев большое расстояние, Телушкин обнаружил на шпиле прикрепленные к нему крючья. Они выступали на 2 вершка от поверхности медных листов. Продолжать в этих условиях спиральный подъем стало невозможным. Однако Телушкин вновь нашел выход из положения. Забрасывая на крючья веревки и подтягиваясь на них, мастер, наконец, достиг яблока, подъем на которое представлял собой, на первый взгляд, неразрешимую задачу. Теперь необходимо было забросить веревку на крест над яблоком. Однако сделать это было очень трудно.

Диаметр шпиля под самым яблоком был немногим больше аршина, а яблоко со всех сторон широко нависало над гранями шпиля. Телушкин преодолел и это препятствие. Он привязал себя за ноги повыше ступней к шпилю под самым яблоком и, откинувшись так, что оказался почти в горизонтальном положении в воздухе, после нескольких неудачных попыток забросил конец веревки на яблоко. Веревка обвила подножие креста, и Телушкин, с ее помощью, поднялся на вершину яблока.

Огромная толпа собравшихся у колокольни всё время с тревогой следила за восхождением и радостно приветствовала победителя почти 40-метровой высоты шпиля. У подножия креста Телушкин закрепил веревочную лестницу, по которой он затем в течение шести недель поднимался наверх и вел ремонтные работы.

За свой подвиг Телушкин был награжден деньгами и медалью. Легенда гласит, что императорским указом ему было разрешено пить в петербургских кабаках бесплатно. Что сталось потом с умельцем Телушкиным — неизвестно.

Поэт второй половины XIX в. Д. Минаев сочинил такую эпиграмму:

Здесь погребены великие цари,

Здесь золотые делают монеты,

На шпиц Телушкин лазил — эка высь, смотри!

И под Неву спускаются поэты.

Последней строкой намекалось на казематы Петропавловской крепости.

В 1854 г. вновь потребовались ремонтные работы на вершине шпиля. Тогда решено было перестроить шпиль таким образом, чтобы в будущем на случай ремонтных работ не возникала необходимость сооружения лесов или вынужденного повторения подвига Телушкина. Перестройку шпиля поручили инженеру Д. И. Журавскому. В 1858 г. на Боткинском заводе (Урал) был сделан каркас нового шпиля из стальных полос. В Петербург этот каркас доставили в разобранном виде. Монтаж производился на колокольне собора. Внутри каркаса, на две трети его высоты, была сооружена винтовая лестница, подводящая к наружному люку, от которого на внешней поверхности шпиля начиналась лесенка из скоб для восхождения до основания креста. Новая конструкция шпиля предусматривала также возможность сооружения висячих лесов. Для этого у верхней площадки винтовой лестницы внутри шпиля были сделаны люки, через которые крест-накрест устанавливались балки, а на них — легкий настил для ремонта креста и ангела.